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SANTANASmart Antenna Terminal
Vorstellung des Projekts
A.F. JacobInstitut für Hochfrequenztechnik
Technische Universität Braunschweig
DLR workshop 27./28. März 20032
Einleitung
• Ziel des Projektes SANTANA
– Herstellung eines Submoduls einer
aktiven Terminal-Antenne mit digitaler Strahlformung
für breitbandigen Satellitenfunk im Ka-Band (20/30 GHz)
• Projektträger
– BMBF / DLR Raumfahrtmanagement
• Projektpartner
Ottobrunn Kamp-Lintfort BraunschweigWeßling
DLR workshop 27./28. März 20033
Überblick
• Satellitensystem• SANTANA Terminal
– Übersicht: Konzept und Aufbau– Antennenarray– HF-Elektronik– Aufbautechnik– Signalverarbeitung
• Zusammenfassung / Ausblick
DLR workshop 27./28. März 20034
Satellitensystem
• Zukünftige Breitband-Satellitensysteme– überwiegend im Ka-Band– zunächst geostationäre Systeme (GEO),
LEO- und MEO-Systeme unsicher
• Bandbreiten / Datenraten– ~ 500 MHz– Datenraten bis zu 64 Mbit pro Kanal
• Nutzergruppen– ortsfeste und mobile Nutzung
(zunächst für professionelle Kunden:z.B. Flugzeugbauer, Fluggesellschaften)
Downlink:ca.
20 GHzUplink:ca. 30 GHz
DLR workshop 27./28. März 20035
Digital Beamforming
• Vorteile– keine Mechanik → sehr schnelles Schwenken des Strahls– Strahlformung → adaptive Störerausblendung (nulling)– Erzeugung mehrerer unabhängiger Strahlkeulen gleichzeitig– Weitgehende Kontrolle durch Software → sehr flexibel
• Nachteile– Sehr hohe Komplexität des Systems– Hohe Integrationsdichte der Elektronik (Ka-Band)– Hohe Kosten
DLR workshop 27./28. März 20036
Modulkonzept
AntennenelementeHF + ZF (analog)
ZF + DSP (digital)
Basisplatte
KühlungStromversorgung
Modul
LO/TaktverteilungStrahlformung/-steuerung
Aufspaltung in Module
Einzelmodul als Technologie-demonstrator
(zunächst getrennteSende- undEmpfangs-teile)
DLR workshop 27./28. März 20037
Modulaufbau
ZF- und DSP-Elektronik
Abstandshalter
Abstandshalter
Signalverteilung
Elektr. Kontakt
Elektr. Kontakt
HF-Elektronik
Metallplatte
Antennen
HF-Übergang
Einzelelement schematisch
DLR workshop 27./28. März 20038
Antennenarray
• Zyklische Rotationder Elemente
– Erzeugungzirkularer Polarisationmit linear pol. Elementen
– VerbesserungPolarisationsreinheitbei zirkular pol.Elementen
d = 0.5 λ0
subarray
0° 90°
180°270°
0° 90°
180°270°
0° 90°
180°270°
0° 90°
180°270°
DLR workshop 27./28. März 20039
Elektronik
Ka-Band FrontendGaAs - MMIC (bare die)
3.4 mm
Empfänger(LNA +
Mischer)
Zwischenfrequenzteilgehäuste SMD-Bauteile
auf Multilayer-Leiterplatte
EmpfängerZF-Teil analog
DLR workshop 27./28. März 200310
Aufbau- und Verbindungstechnik
2x2EmpfängerSubmodul
Neue TechnologienMultilayer LTCC
Flipchip-Verbindung
Bewährte TechnologienSingle-Layer HF-Laminate
Drahtbond-VerbindungÄ mittlere Intregationsdichte
Ä hohe Intregationsdichte
DLR workshop 27./28. März 200311
Messtechnik
Wafer-Probing Station
Koplanar-Mess-Spitzen
Direkte Kontaktierungauf dem Chip oderüber Substrat
DLR workshop 27./28. März 200312
Strahlformung
• DigitalerStrahlformer(Empfangsfall)
Wichtung undZusammenfassungder Kanalsignaledurch Baum-Architektur→ Datenraten konstant(ressourcenschonend)
DLR workshop 27./28. März 200313
Strahlsteuerung
• Ermittlung der Empfangsrichtung
DLR workshop 27./28. März 200314
Zusammenfassung
• Digital Beamforming im Ka-Band– hohe Anforderungen an
• Antennen- und Arraydesign• Elektronik-Integration, Aufbautechnik• Signalverarbeitung (insbesondere Hardware)
• Laufendes Projekt:Herstellung und Test eines Moduls– 16-kanaliger Technologiedemonstrator (4x4 Elemente)
als Baustein eines DBF Terminals
DLR workshop 27./28. März 200315
Ausblick
• Geplante Weiterführung– Weiterentwicklung und Optimierung – Aufbau mehrerer Module– Tests am Boden und in der Luft (Flugzeug)
• Konzeptuntersuchung Satelliten-Experiment– Kommunikation Boden-Satellit– Abschätzung der Machbarkeit und Kosten– im Erfolgsfall: Planung und Durchführung
• Parallel geplant: KERAMIS LTCC-Projekt– zukünftige Technologie
DLR workshop 27./28. März 200316
Satellitensystem
• Euroskyway
– GEO-System– auch für mobile
Anwender– Europa und
Mittelmeerraum– Start 2004
(1. Satellit)
G/T = 13 dB/K
EIRP = 54,2 dBW (EOC)
Downlink:f = 19,95 GHzB = 0,5 GHz
Uplink:f = 29,75 GHzB = 0,5 GHz
Terminal:min. EIRP = 40 dBWmin. G/T = 9,5 dB/K
DLR workshop 27./28. März 200317
Antennenelemente
• Quadratische Patch-Antennen für Empfänger– einfaches Design– Symmetrie für zirkulare Polarisation– relativ hohe Bandbreite
• „Truncated-corners“ Patch-Antennen für Sender– Bessere Unterdrückung der kreuzpolaren
Komponenten– Bandbreite ausreichend hoch
DLR workshop 27./28. März 200318
Antennenspeisung
• Interface Antenne-Elektronik
– Schlitz-gekoppelter Rundhohlleitermit keramischem Füllmaterialin Metallplatte
• mechanische Stabilität• Träger für die Elektronik• Wärmeleiter
– direkte oder indirekteSpeisung des Patches
DLR workshop 27./28. März 200319
Schaltung Sender
• Digitale Modulation & Aufwärtsmischung
DLR workshop 27./28. März 200320
Schaltung Empfänger
• Heterodynempfänger + Bandpass sampling
DLR workshop 27./28. März 200321
MMIC
• Typische Daten verfügbarer Ka-Band MMIC
Funktion Parameter Wert
Low NoiseAmplifier(LNA)
RauschzahlVerstärkungVersorgungChipfläche
2 dB25 dB30..60 mA @ 3..5 V1,5 x 2,5 mm²
MinMaxTypTyp
PowerAmplifier(PA)
LeistungVersorgungChipfläche
20 dBm300..500 mA @ 3..5 V1,5 x 2,5 mm²
TypTypMin
Mischer* LO Verst.* subharm.
Konv.-VerlusteLO-LeistungIP 3. OrdnungChipfläche
8..10 dB15 / 0* dB18 / 8* dBm1,5 x 1,5 mm²
TypTypTypTyp
DLR workshop 27./28. März 200322
Synchronisation
• Verteilung zentral erzeugter LO-Signalean die Module / Elemente
DLR workshop 27./28. März 200323
Kalibrierung
• Passives Konzept für den Empfänger20 GHz Receiver DDC
DBF
AD
20 GHz Receiver DDCA
D
20 GHz Receiver DDCA
D
20 GHz Receiver DDCA
D
Equalizer
Ausnutzung von empfangenenSatellitensignalenzur Kalibrierung
DLR workshop 27./28. März 200324
Kalibrierung
• Aktives Konzept für den Sendermit Kalibrierempfängern am Rande der Antenne
DLR workshop 27./28. März 200325
Kühlkonzept
• Wärmefluß von 0,4 W / cm2 (Empfänger) bzw. 2,6 W / cm2 (Sender)
• Abfuhr der Wärme durch:– Luftzirkulation (Empfänger)– Wasserkreislauf durch integrierte Kühlkanäle (Sender)
DLR workshop 27./28. März 200326
Fuzz-Buttons
• Fuzz-Button Verbinder
+ Lötfrei - lösbar
+ relativ niedrige Kosten
+ zuverlässig
+ Ausrichtung unkritisch
+ mittlere bis hohe I/O-Dichte
+ geeignet für
Frequenzen bis ca. 20 GHz
Leiterplatte
Leiterplatte
Abstands-halter
Fuzz ButtonsVias
DLR workshop 27./28. März 200327
Fuzz-Buttons
• Fuzz-Button Übergang
– Übergang:3-Drahtleitungaus 4 mmFuzz-Buttonsin PTFE
5 10 15 20 25-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequenz [GHz]
S11
, S21
[dB
]
S21
S11
SimulationMessung
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